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1、电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社电子技术基础电子技术基础第二部分电工电子技术电工电子技术模拟电子技术数字电子技术电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社 本章在简要介绍半导体材料的特性本章在简要介绍半导体材料的特性及导电规律后，重点研究常用半导体及导电规律后，重点研究常用半导体器件的组成结构、伏安特性、主要参器件的组成结构、伏安特性、主要参数和应用方法，为后续学习电子电路数和应用方法，为后续学习电子电路建立必要的基础。建立必要的基础。半导体二极管及其应用电路第第 1 1 章章第二部分 电子技术基础电电工工电电子子技技术术陈
2、陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社第二部分 电子技术基础 第1章 半导体二极管及其应用电路1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构1.2 半导体二极管的单向导电性半导体二极管的单向导电性1.3 几种常用特殊二极管几种常用特殊二极管1.4 二极管基本电路应用二极管基本电路应用电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构1.1.1 半导体材料半导体材料半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（Si）和锗（G
3、e），硒和许多金属氧化物、硫化物都是半导体。图2.1.1 锗、硅原子结构锗、硅原子结构物体的导电性：（1）导体（2）绝缘体（3）半导体电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社（1）热敏性大部分半导体的导电能力随温度的升高而增强，有些对温度反应特别敏感。热敏元件半导体材料的三个特点：（2）光敏性半导体的导电能力随光照强度的变化而变化。例如硫化镉薄膜，无光照时，电阻是几十兆欧姆，是绝缘体；受光照时，电阻只有几十千欧姆。光敏元件（3）掺杂性如果在纯净半导体中掺入微量其它元素（称为掺杂），半导体的导电能力随着掺杂能力的变化而发生显著变化。基本半导体器件1.1 1.1 半
4、导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1、本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体。图2.1.1 锗、硅原子结构锗、硅原子结构根据半导体的掺杂情况，半导体材料又可以分为两类： 典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge），它们都是四价元素，每个原子的外层有四个价电子，原子结构如图2.1.1所示。四价元素1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社SiSiSiSi共价键共价键：在晶体结构的半导体中，相邻两个原子的一对最外层电子成为共用电子，形成共价键结构
5、。价电子电子、空穴：在常温下由于分子的热运动，少量价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子，同时在原位留下的空位称空穴。这种现象称为本征激发结论：在本征半导体中电子空穴成对产生，当温度和光照增加时，其数目增加。自由电子空穴本征硅示意图本征硅示意图1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社SiSiSiSi 在外电场作用下，自由电子定向运动，价电子填补空穴。 自由电子定向运动价电子填补空穴在半导体中，同时存在着自由电子导电和空穴导电。这就是半导体导电方式的最大特点。自由电子（带负电）和空穴都被称为载流子。本征硅示意图本征硅
6、示意图1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社2、杂质半导体电子型（N型）半导体空穴型（P型）半导体杂质半导体有两大类SiSiSiSi本征硅示意图本征硅示意图SiP N N型半导体：型半导体：在本征 硅或锗中掺入五价元素，如磷、砷、锑，则自由电子数目大大增加，形成多数载流子。空穴为少数载流子。在外电场作用下，自由电子导电占主导地位，故称电子型半导体。简称N N型半导体型半导体空穴自由电子自由电子数增加1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育
7、出出版版社社SiSiSiSi本征硅示意图本征硅示意图 P P型半导体：型半导体：在本征 硅或锗中掺入三价元素，如硼、铝、铟，则空穴数目大大增加，形成多数载流子。自由电子为少数载流子。在外电场作用下，空穴导电占主导地位，故称空穴型半导体。简称P P型型半导体半导体空穴自由电子SiB空穴数增加1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.1.2 PN 结的形成1、 PN 结形成图2.1.2用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面附近，由于多数载流子浓度的差别，引起多数载流
8、子的扩散运动。图2.1.2 PNPN结的形成结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1、PN 结形成扩散运动在交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，这就是PN结。图2.1.2 PNPN结的形成结的形成P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散阻挡层阻挡多子扩散耗尽区PN结1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.1.3、PN 结的导电性在PN结两端加上不同极性的外电压， PN结呈不同的导电性
9、。图2.1.3 PN结加正向电压：P区接电源正极， N区接电源负极，如图2.1.3（a）。外电场削弱内电场，空间电荷区变窄，多数载流子扩散运动增强。PN结的正向电流由多数载流子形成，比较大，PN结呈现较小的正向电阻，称PN结正向导通。1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社图2.1.3 PN结加反向电压：P区接电源负极， N区接电源正极，如图2.1.3（b）。外电场加强内电场，空间电荷区变宽，阻止多子扩散运动，只有少数载流子越过空间电荷区形成反向电流。PN结的反向电流由少数载流子形成，反向电流非常小，PN结呈现
10、极高的反向电阻，称PN结反向截止。电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.1.4 半导体二极管常用二极管图片常用二极管图片普通小功率二极管普通小功率二极管大功率二极管大功率二极管各种发光二极管各种发光二极管1.1 1.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社 二极管的基本结构 半导体二极管结构半导体二极管结构由一个PN结加电极引线与外壳制成。D图2.1.4 二极管符号二极管符号P PN阳极或正极阴极或负极阳极或正极阴极或负极D电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出
11、出版版社社 根据根据PN结接触面的大小，二极管可分点接触型与面接触型。PN结接触面小点接触型：点接触型：PN结接触面小，不能通过大电流但其结电容小，常用于高频检波及小电流整流，使用时不能承受较高的反向电压和大电流。面接触型：面接触型：PN结接触面积大，通过的正向电流比点接触型大，常用作整流管，但结电容大，适用于低频电路。PN结接触面大电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社金属触丝阳极引线N 型锗片阴极引线外壳( a ) 点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN 结金锑合金底座阴极引线( b ) 面接触型二极管的结构和符号示意图二极管的结构和符号示意图阴极阳极( d
12、 ) 符号D电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.2 1.2 半导体二极管的单向导电性半导体二极管的单向导电性1.2.2 二极管的伏安特性伏安特性：伏安特性： 二极管的端电压与电流二极管的端电压与电流之间的关系。之间的关系。伏安特性曲线：伏安特性曲线： 描述二极管的端电压与描述二极管的端电压与电流之间的关系曲线。图电流之间的关系曲线。图2.1.52.1.5为典型硅管的为典型硅管的伏安伏安特性曲线。特性曲线。注意：注意：正、反向电压和电正、反向电压和电流的单位是不同的。流的单位是不同的。图2.1.5 二极管的伏二极管的伏 安特性曲线安特性曲线电电工工电电子子
13、技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社正向伏安特性测试电路正向伏安特性测试电路mAVDERU+WI1.2.2 二极管的伏安特性正向特性说明：OA正向死区AB正向导通区硅0.5V锗0.2V硅0.6V - 0.7V锗0.2V - 0.3V二极管正向伏二极管正向伏 安特性曲线安特性曲线电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社反向伏安特性测试电路反向伏安特性测试电路EmAVDRU+WI1.2.2 二极管的伏安特性反向特性说明：OC反向截止区CD反向击穿区二极管反向伏二极管反向伏 安特性曲线安特性曲线硅几微安锗几十微安反向饱和电流伏安特性理想化：伏安特性
14、理想化：死区电压、导通压降、反向电流等于零。死区电压、导通压降、反向电流等于零。电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.3 主要参数1 1、最大整流电流、最大整流电流I IFMFM：二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均电流。使用二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均电流。使用时时不允许超过此值不允许超过此值2 2、最大反向工作电压、最大反向工作电压U URMRM： 确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压。是击穿确保二极管安全使用所允许施加的最大反向电压。是击穿电压电压U UBRBR（反向击穿电压）的一半或
15、者三分之二（反向击穿电压）的一半或者三分之二3 3、反向饱和电流反向饱和电流I IR R：当当二极管加二极管加反向工作电压时的反向电流，此值越小，则反向工作电压时的反向电流，此值越小，则二二极管极管的单向导电性越好。的单向导电性越好。D电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.4 二极管应用举例二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。图2.1.6 例例1.2.1题图【例例1.2.11.2.1 】 如图如图2.1.62.1.6所示电路中，已知电所示电路中，已知电路
16、中的二极管为硅管，电源电压及电阻值如图路中的二极管为硅管，电源电压及电阻值如图所示，问二极管所示，问二极管D D是否能导通，是否能导通，U Uabab为多少？为多少？流过电阻的电流各为多少？流过电阻的电流各为多少？电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社先假设二极管不导通判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压？二极管导通，二极管两端电压等于导通电压；二极管截止，这条电路中无电流。是1.2.4 二极管应用举例【例例1.2.11.2.1 】分析方法：【解解 】否图2.1.6 例例1.2.1题图电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社（a）图中，假设D不导通，以b为参考点，二极管的正极电位为12V，负极电位为6V，正向电压为【例例1.2.11.2.1 】分析方法：【解解 】所以二极管截止， Uab6V，流过电阻的电流为零。12 （6）= 6V0.6V图2.1.6 例例1.2.1题图电电工工电电子子技技术术陈陈小小虎虎主主编编高高等等教教育育出出版版社社二极管的正向电压为6V0.6V，所以二极管导通， 导通电压为0.6V ，
